FISIKA MODERN Pertemuan ke-6 SIFAT GELOMBANG DARI PARTIKEL Nurun Nayiroh, M.Si. Pendahuluan Einstein memperkenalkan kepada kita sifat partikel dari gelombang pada thn 1905 (efek photoelektrik). Teori Einstein ini diperkuat oleh hamburan Compton Tapi, apakah kebalikannya berlaku? Apakah partikel memiliki sifat gelombang? 1923, ketika masih sebagai mahasiswa pascasarjanauniversity of Paris, Louis de Broglie mempublikasikan tulisan ringkas dalam journal Comptes rendus yang berisi ide yang revolusioner terhadap pemahaman fisika pada level yang paling fundamental: yaitu bahwa partikel memiliki sifat gelombang intrinsik Werner Heisenberg dan kemudian Erwin Schrödinger mengembangkan teori berdasarkan sifat gelombang dari partikel. Prince de Broglie Heissenberg Schrodinger Tokoh Sifat gelombang dari partikel Pada 1927, Davisson dan Germer mengkonfirmasi sifat gelombang dari partikel dengan diffraksi elektron dari kristal tunggal nikel. 1
Cahaya memiliki sifat gelombang seperti dalam peristiwa interferensi dan difraksi, juga memiliki sifat partikel seperti dalam peristiwa efek fotolistrik dan hamburan Compton. Sifat gelombang dinyatakan oleh panjang gelombang (λ) dan sifat partikel dinyatakan oleh besaran momentum (p) Hubungan antara λdan p sebuah foton adalah : Menurut de Broglie bahwa partikel (seperti elektron) yang bergerak ada kemungkinan memiliki sifat gelombang dengan panjang gelombang tertentu. Usulan de Broglie ini dapat dibuktikan dengan percobaan difraksi elektron oleh Davisson & Germer Persamaan De Broglie hν Sebuah foton berfrekuaensi mempunyai momentum: p = c Yang dapat dinyatakan dengan panjang gelombang sebagai: Karena λν =c ; maka panjang gelombang foton ditentukan oleh momentumnya h λ= p Panjang gelombang foton De Broglie mengusulkan supaya rumus di atas berlaku umum untuk partikel suatu materi atau foton. Momentum suatu partikel bermassa mdan kecepatan v ialah p = m vdan panjang gelombang de Broglienya ialah h λ= mν Panjang gelombang de Broglie Makin besar Momentun partikel itu makin pendek panjang gelombangnya m menyatakan massa relativistik: mo m= 2 2 1 v / c h p= λ contoh Cari panjang gelombang de Broglie dari (a) bola golf 46 g dengan kecepatan 30 m/s, dan (b) elektron dengan kecepatan 10 7 m/s. Penyelesaian: 34 (a) h 6,63 10 J. s 38 λ = = = 4,8 10 m mν 0,046kg 30m / s Panjang gelombang bola golf sedemikian kecil dibandingkan dengan dimensinya sehingga tidak bisa mengharapkan aspek gelombang dalam kelakuannya. (b) Karena v<<c, m = 9,110-31 kg, dan 34 h 6,63 10 J. s 11 λ = = = 7,3 10 m -31 m ν 9,1 10 kg 7 ( 10 m / s) Dimensi atom sebanding dengan besaran ini-jejari atom hidogen, misalnya ialah 5,3 x 10-11 -sehingga tidaklah mengejutkan bahwa sifat gelombang elektron yang bergerak merupakan kunci dalam usaha kita untuk mengerti struktur atomik dan kelakuannya. 2
Gelombang Materi adalah fenomena quantum Efek gelombang partikel sulit diobservasi secara makroskopik (kecuali jika dibantu alat khusus) Konstanta h yang kecil pada λ = h/p membuat karakteristik gelombang dari partikel susah untuk diobservasi Jika h 0, λ menjadi sangat kecil sekali yang berarti perilaku gelombang dari partikel secara effektif akan berhenti dan akan kehilangan sifat gelombangnya apabila momentum partikel tidak sebanding dengan h ~ 10-34 Js Dengan kata lain, sifat gelombang partikel hanya akan muncul jika skala momentum p sebanding dengan harga h Beberapa persamaan yang dapat gunakan: E = hf p = h/λ ω= 2πf k = 2π/λ ħ = h/2π E = ħω p = ħk Fungsi Gelombang Jika benda memiliki panjang gelombang, maka akan ada suatu fungsi fungsi gelombang yang menjelaskan sifatgelombang dari benda tsb. Sesuatu dimana variasinya membentuk gelombang partikel adalah fungsi gelombang, Ψ("psi", biasa dibaca "si"). Fungsi gelombang dari partikel bukan sesuatu yang dapat dilihat atau dirasakan. Dia tidak memiliki arti fisik yang langsung. Ψ Adalah solusi Schrödinger Ψ pada umunya bilangan komplek, dan tidak dapat diukur secara langsung. Rata-rata waktu dan/atau ruang dari Ψ = 0. Akan tetapi, Ψ dapat merepresentasikan sesuatu tentang partikel Ψ*Ψ merupakan probabilitas menemukan bendayang direpresentasikan dengan Ψ. Secara umum, Ψ adalah fungsi dari posisi (x,y,z) dan waktu Probabilitas untuk menemukan objek yang dinyatakan dengan Ψ pada posisi (xyz) pada waktu t adalah sebanding dengan harga Ψ*Ψ. jika Ψ complex, maka Ψ*Ψ = [Ψ] 2 adalah real (dan positif). Secara umum, harga Ψ*Ψ adalah antara 0 dan 1. Harga yang kecil pada suatu posisi dan waktu menunjukkan probabilitas menemukan objek adalah kecil; sebaliknya angka yang besar menunjukan probabilitas yang besar Jika Ψ*Ψ=0 pada suatu posisi dan waktu, maka objek tidak ada. Jika Ψ*Ψ=1 pada suatu posisi dan waktu, objek pasti ada. 3
Max Born pada tahun 1926 memberikan interprestasi statistik dari fungsi gelombang ψ(x,y,z,t) sbb: ψ(x,y,z,t)=a exp[i(kx-ωt)] r =x i + y j + z k maka [ψ(x,y,z,t)] 2 v=[a] 2 v adalah kerapatan peluang atau kebolehjadian untuk menemukan partikel yang mempunyai momentum p dalam suatu elemen volume v = x y z pada waktu t Probabilitas Untuk sistem partikel yang dijelaskan oleh fungsi gelombang Ψ, Ψ*ΨdV adalah probabilitas menemukan partikel (atau sistem) dalam elemen volume dv. Untuk mencari probabilitas menemukan partikel disuatu tempat di dalam ruang, kita integrasikan probabilitas seluruh ruang. Kita asumsikan bahwa probabilitas menemukan partikel disuatu tempat di dalam ruang adalah 1, sehingga Fungsi gelombang yang dinormalisasi Berapa kecepatan gelombang de Broglie? Pada sisi lain, de Broglie mengatakan bahwa benda yang bergerak memiliki momentum dan panjang gelombang yang dihubungkan oleh p = h/λ Momentum benda bergerak dihubungkan dengan kecepatan yang terukur lewat p = mv Maka secara logika kecepatan gelombang de Broglie (sebut saja v p ) harus sama dengan v Kecepatan gelombang de Broglie dihubungkan dgn frekuensi gelombang dan panjang gelombang lewat v p =λ f Dimana panjang gelombang de Broglie λ dihubungkan dengan kecepatan benda yang terukur lewat λ = h/(mv) Energi yang dibawa oleh quantum gelombang de Broglie adalah E=hf Energi E harus sama dengan energi relativistik daribenda bergerak, E = mc 2 Sehingga diperoleh, hf = mc 2 f = mc 2 /h Substitusikan frekuensi de Broglie ke dlm v p =λ f, kita peroleh v p =(h/mv)(mc 2 /h) =c 2 /v v p =c 2 /v 4
v p =c 2 /v Persamaan diatas tidak masalah jika partikel adalah photon yang bergerak dengan kecepatan c, sehingga v p = c Tapi karena partikel tsb bermasa maka akan selalu c 2 /v > c suatu hasil yang secara fisik tidak dapat direalisasikan, yaitu kecepatan gelombang de Broglie v p tidak hanya tidak sama dengan v tapi juga > c Kecepatan Fasa dan Group Group gelombang adalah superposisi dari gelombanggelombang yang berbeda. Gelombang berinterferensi untuk menghasilkan suatu bentuk dari grup. Karena kecepatan gelombang de Broglie bervariasi terhdap λ,maka masing-masing gelombang bergerak dengan kecepatan berbeda dengan kecepatan group. Beiser menghitung kecepatan penjalaran, v g, dari grup sederhana yang dibuat dari dua gelombang sinus. y1 = A cos(ωt- kx) y2= A cos{(ω+dω) t -(k+dk) x} Dua gelombang adalah jumlah minimal yang dibolehkan untuk membuat gelombang "paket" atau "grup." Dengan sedikit trigonometri, dan menggunakan fakta bahwa dω dan dk adalah kecil dibanding ω dan k, Beiser menunjukkan : Kecepatan fasa gelombang menjalar adalah v p =ω/k, sedangkan group (modulasi) bergerak dengan kecepatan v g =(dω/2)/(dk/2)=dω/dk. Gelombang dinyatakan oleh y1+y2 dibangun dari gelombang dengan frekuensi sudut ω dan bilangan gelombang k, dan mempunyai superposisi pada suatu modulasi frekwensi dω/2 dan bilangan gelombang dk/2. v g dapat > v p atau < v p. Jika kecepatan fasa v p sama untuk seluruh panjang gelombang, seperti untuk cahaya dalam vacum, maka kecepatan fasa dan group adalah sama. 5
Hasilnya: v p =c 2 /v (kita sudah tahu ini) dan v g =v (kecepatan partikel). Verifikasi hipotesa De Broglie Pendahuluan Diffraksi adalah perilaku gelombang. Penjelasan diffraksi partikel dengan menggunakan cara klasik sangatlah sulit. Diffraksi partikel hanya dapatdijelaskan dengan mekanika kuantum 6
Eksperimen Davisson-Gremer (DG) DG mengkonfirmasi perilaku gelombang dari elektron yang mengalami diffraksi Bragg Elektron Thermionik yang dihasilkan oleh hot filamen dipercepat dan difokuskan ke target pada kondisi vacum. Menurut mekanika klasik seharusnya elektron akan dihamburkan ke segala arah Tapi kenyataannya elektron dihamburkan pada sudut φ ke detektor yang dapat digerakan Skema percobaan DG DG menembakkan berkas elektron dengan energi tertentu pada permukaan kristal tunggal nikel. Pantulan berkas elektron oleh permukaan kristal ternyata mencapai nilai maksimum pada sudut tertentu, sesuai dengan relasi Bragg nλ = 2d sin θ dengan n adalah bilangan bulat, λ adalah panjang gelombang, dan d adalah jarak dua bidang kisi yang berurutan dalam kristal. Panjang gelombang λ tergantung dari energi elektron yang ditembakkan yang berarti tergantung dari tegangan akselerasi pada penembak elektron. Nilai maksimum ini ditafsirkan sebagai interferensi yang saling menguatkan, artinya gelombang pantulan mempunyai fasa yang sama. Persamaan di atas menunjukkan bahwa perbedaan sudut antara dua pantulan maksimum yang berurutan, atau sin θ, tergantung dari λ/d. Jadi jika panjang gelombang terlalu kecil maka posisi pantulan maksimum akan sangat berdekatan. Panjang gelombang ditentukan oleh tegangan akselerasi penembak elektron (karena tegangan akselerasi menentukan kecepatan elektron) melalui hubungan dan kecepatan elektron akan menentukan λ melalui hubungan Interpretasi hasil dari DG Elektron didifraksikan oleh atom pada permukaan (yang bertindak sebagai grating) logam seperti elektron berperilaku sebagai gelombang Elektron berperilaku sebagai gelombang seperti yang dipostulatkan oleh de Broglie 7
Diffraksi konstruktif Bragg Puncak pola diffraksi adalah orde ke 1 interferensi konstruktif : d sin φ = 1λdimana φ = 50 o untuk V = 54 V Dari eksperimen diffraksi Bragg x-ray yang dilakukan terpisah, kita mengetahui bahwa d = 2.15 0 A Sehingga panjang gelombang elektron adalah λ = d sinθ = 1.65 A 1.65 A adalah hasil yg diperoleh dari eksperimen dan harus dicek dengan harga yang diprediksi secara teoritis oleh De Broglie Nilai teoritis λ elektron Potensial eksternal V mempercepat elektron melalui EV=Ek Pada percobaan DG energi kinetik elektron diakselerasi ke Ek = 54 ev (non-relativistic) Menurut de Broglie, panjang gelombang elektron yang deakselerasi ke Ek = p 2 /2me = 54 ev memiliki panjang gelombang ekuivalen λ = h/p = h/(2km e ) -1/2 = 1.67 0 A Dalam bentuk potensial eksternal λ = h/(2evm e ) -1/2 Prediksi Teori cocok dengan pengukuran Hasil percobaan DG (1.65 Angstrom) hampir mirip dengan perkiraan de Broglie (1.67 Angstrom) Perilaku gelombang dari elektron secara eksperimen telah dikonfirmasi Sebagai fakta, perilaku gelombang dari partikel mikroskopik diobservasi tidak hanya dalam elektron saja tapi juga dalam partikel lain (misalnya neutron, proton, molekule dsb) Aplikasi gelombang elektron 8
Mikroskop elektron lahir pada tahun 1932 oleh Ernst Ruska & Max Knol Aplikasi gelombang elektron: Mikroskop Elektron (TEM), Nobel Prize 1986 (Ernst Ruska) Panjang gelombang elektron de Broglie dapat diatur lewat λ = h/(2evm e ) -1/2 Mikroskop elektron dapat memiliki perbesaran sampai x500000 (EV= 30kV) resolusi 0.1 nm Sebagaimana namanya, mikroskop elektron menggunakan sinar elektron yang panjang gelombangnya lebih pendek dari cahaya. Sebenarnya, dalam fungsi pembesaran obyek, mikroskop elektron menggunakan lensa dari jenis magnet. Sifat medan magnet ini bisa mengontrol dan mempengaruhi elektron yang melaluinya. Pengamatan obyeknya dalam kondisi hampa udara (vacuum). Hal ini dilakukan karena sinar elektron akan terhambat alirannya bila menumbuk molekul-molekul yang ada di udara normal. Prinsip Kerja ME Perbedaan Hasil MO dan ME MO : resolusi/daya pisah lebih rendah ME: resolusi/daya pisah lebih tinggi 9
Dualisme Pandangan Mengenai Elektron Dalam dualisme antara elektron sebagai partikel dan elektron sebagai gelombang, beberapa hal perlu kita catat. Bahwa elektron dapat dipandang sebagai gelombang tidaklah berarti bahwa elektron adalah gelombang; akan tetapi kita dapat mempelajari gerakan elektron dengan menggunakan persamaan diferensial yang sama bentuknya dengan persamaan diferensial untuk gelombang. Elektron sebagai partikel mempunyai massa tertentu, m. Elektron sebagai gelombang mempunyai massa nol, tetapi memiliki panjang gelombang yang terkait dengan massa dan kecepatan elektron yaitu λ = h /mve = h /mvg. Elektron sebagai partikel memiliki energi total yang terdiri dari energi potensial dan energi kinetik yaitu E = E p + Ek = E p + mve. Elektron sebagai gelombang mempunyai energi total E = hf = hω. Elektron sebagai partikel mempunyai momentum p = mve. Elektron sebagai gelombang memiliki momentum p = hk = h /λ. Kita tidak dapat menentukan momentum dan posisi elektron secara simultan dengan masing-masing mempunyai tingkat ketelitian yang kita inginkan secara bebas. Kita dibatasi oleh prinsip ketidakpastian Heisenberg: p x = h. Demikian pula halnya dengan energi dan waktu: E t = h. Tidak serempak mungkin bagi kita untuk mengadakan pengukuran dengan teliti dan serempak posisi dan momentum dari suatu partikel Menurut hipotesa de Broglie panjang gelombang λdan momentum p memenuhi relasi: λ=h/p Bila posisi partikel ingin ditentukan dengan tepat berarti amplitudo dari gelombang harus sebesar mungkin ([ψ] 2 =A 2 ) atau panjang gelombang sekecil mungkin (λ<<) yang berarti momentum linear p sebesar mungkin (p>>) mengingat p=h/λ Besaran dari posisi dan momentum ini merupakan besaran yang kanonis konjugat (canonical conjugate), yaitu besaran-besaran yang tidak dapat ditentukan secara serempak dan tepat berdasarkan prinsip ketidakpastian Heisenberg. 10
Percobaan Angan-angan Heisenberg Sebuah elektron yang mempunyai posisi dan momentum tertentu terletak di bawah lensa obyektif dari mikroskop, untuk dapat mengamati elektron tersebut harus ada fotonfoton yang menumbuknya (harus disinari), kemudian foton-foton tersebut terhambur masuk ke dalam mikroskop. Foton-foton itu memberikan sebagian dari momentumnya kepada elektron itu, foton-foton yang masuk ke dalam mikroskop harus terdapat dalam kerucut dengan setengah sudut=θ Menurut fisika optik maka daya mikroskop adalah x λ /sin θ x merupakan ketelitian dimana letak elektron dapat ditentukan. Momentum yang ditransfer kepada elektron mempunyai ketidakpastian sebesar: p x p sin θ x. p x λ/sin θ. p sin θ x. p x λp = h x. p x h/2π Prinsip ketidakpastian Heisenberg Keterangan: bila x = 0, maka p x = ini berarti jika kita ingin mengetahui lokasi suatu partikel secara eksak maka kita tidak akan dapat mengetahui momentumnya secara tepat, sebaliknya bila x =, maka p x = 0 Besaran-besaran kanonis konjugat lainnya: θ. L θ ћ t. E ћ Dimana θ. L θ adalah ketidakpastian untuk posisi sudut dan momentum sudut, sedangkan t. E adalah ketidakpastian untuk waktu dan tenaga dari suatu partikel. Prinsip ketidakpastian I Penurunan Berdasarkan Sifat Gelombang Partikel Misalkan partikel dinyatakan dengan grup gelombang disamping ini. Dimana partikel? Berapa panjang gelombangnya? Karena itu ada ketidakpastian yang besar pada momentum partikel (ingat-panjang gelombang dan momentum saling berhubungan). Posisi dapat didefinisikan dengan baik, tapi panjang gelombang tidak terdefinisi dengan baik. Sekarang partikel dinyatakan dengan grup gelombang disamping ini. Dimana partikel? Berapa panjang gelombangnya? Panjang gelombang kelihatannya lebih terdefinisi dibanding posisi partikel. Ada ada ketidak pastian yang besar pada posisi partikel. Untuk mengetahui kuantitas ketidakpastian dalam posisi dan momentum group gelombang, kita perlu melihat lebih detail pada transformasi Fourier dan representasi group gelombang dengan menjumlahkan masingmasing gelombang. 11
Gelombang partikel harus mengikuti relasi ketidakpastian yang sama Untuk gelombang partikel, dimana momentum (energi) dan panjang gelombang (frekuensi) dihubungkan oleh p = h/λ(e = hν), hubungan ketidak pastian gelombang klasik diterjemahkan menjadi Apa artinya Penetapan batas terendah mungkin ada pada ketidakpastian dalam mengetahui nilai-nilai p x dan x, tidak peduli bagaimana baiknya suatu eksperimen dilakukan. Adalah mustahil untuk menetapkan secara serempak dan dengan ketepatan yang tanpa batas momentum linear dan posisi suatu partikel yang bersesuaian. Apa artinya Jika suatu sistem ada dalam keadaan energi E pada suatu periode terbatas Δt, maka energi ini adalah tidak-pasti dengan ketidakpastian sedikitnya sejumlah h/(4πδt) oleh karena itu, energi suatu objek atau sistem dapat diukur dengan ketepatan tanpa batas( ΔE=0) hanya jika objek sistem ada pada suatu waktu tak batas (Δt ) Variabel konjugat {p x,x}, {E,t} adalah konjugat variables Konjugat variabel pada prinsipnyatidak bisa diukur (atau diketahui) dengan ketepatan tanpa batas secara serempak 12
Contoh Kecepatan elektron diukur dengan tingkat akurasi 0.003%. Memiliki harga 5.00 x 10 3 m/s.cari ketidakpastian pada posisi elektron SOLUSI v = 5.00 10 3 m/s; (Δv)/v = 0.003% Dari definisi, p = m e v = 4.56 x 10-27 Ns; Δp = 0.003% x p = 1.37x10-27 Ns maka, Δx h/4πδp = 0.38 nm Contoh Muatan meson π memiliki energi diam 140 MeV dan lifetime 26 ns. Hitung ketidak pastian energi π meson, dalam MeV dan juga sebagai fungsi energi diamnya Solusi E = mπc 2 = 140 MeV, Δτ = 26 ns. ΔE h/4πδτ = 2.03 10-27 J = 1.27 10-14 MeV; ΔE/E = 1.27 10-14 MeV/140 MeV = 9 10-17 13